Що дійсно означає дизайн штампа глибокого витягування для прецизійного виробництва

Коли потрібно виготовити безшовні циліндричні стакани, балони для кисню чи автотранзні компоненти з надзвичайним співвідношенням глибини до діаметра, дизайн штампа глибокого витягування стає найважливішим чинником успіху. На відміну від звичайної штампування, де метал зрізається або згинається, процес глибокого витягування перетворює плоский листовий метал у порожнисті тривимірні форми шляхом контрольованого пластичного течіння. Геометрія штампа, яку ви визначаєте, визначає, чи матеріал рівномірно стискується у форму, чи розірветься під надмірним напруженням.

Визначення дизайну штампа глибокого витягування у сучасному виробництві

Що таке глибоке витягування, власне? Це операція формування металу, при якій пуансон протискує плоску заготовку крізь порожнину матриці, створюючи глибину, що перевищує діаметр деталі. Згідно з Виробник , одне з найпоширеніших заблуждень полягає в тому, що метал розтягується у потрібну форму. Насправді, правильно виконані операції глибокого витягування передбачають мінімальне розтягування. Метал фактично ущільнюється за рахунок пластичного течіння, оскільки стискальні сили просувають матеріал всередину до пуансона.

Ця різниця має значення для вашого підходу до проектування матриць. Ви розробляєте інструмент, який контролює стискання та течіння, а не розтягування. Кожен радіус, зазор і параметр шорсткості поверхні впливає на те, наскільки ефективно метал перетворюється з плоскої заготовки у потрібну геометрію.

Чому проектування матриць визначає якість деталі

Геометрія вашої матриці безпосередньо визначає три ключових результати:

• Схеми руху матеріалу - Радіуси пуансона та матриці визначають, де метал стискається, а де розтягується
• Точність геометрії деталі - Зазори та кутів випуску визначають стабільність розмірів
• Ефективність виробництва - Правильне проектування мінімізує кількість операцій витягування та усуває дороге переобладнання

Співвідношення між положенням пуансона та краєм заготовки є особливо важливим. Метал під стисненням чинить опір течії. Якщо ваш витяжний пуансон розташований надто далеко від краю заготовки, зона стиснення стає надто великою, опір течії перевищує межу міцності на розтяг, і виникає розрив поблизу носка пуансона.

Коефіцієнт витяжки — співвідношення діаметра заготовки до діаметра пуансона — є основним принципом, що визначає успішну глибоку витяжку. Перевищите граничний коефіцієнт витяжки для вашого матеріалу, і жодна кількість змащення чи регулювання зусилля преса не запобігатиме відмові.

Цей технічний довідник містить конкретні параметри, формули та підходи до вирішення несправностей, необхідні для успішного проектування матриць. Незалежно від того, чи ви досліджуєте ідеї глибокого витягання для розробки нового продукту чи оптимізації існуючого інструдня, ви знайдете дієві рекомендації, засновані на перевірених інженерних принципах. Наступні розділи охоплюють межі коефіцієнта витягання за матеріалом, розрахунок розміру заготовки, специфікації радіусів, планування багатостадійного процесу та стратегії вирішення дефектів, що перетворюють ваші проекти від теоретичних концепцій на інструдні, готові для виробництва.

Межі коефіцієнта витягання та відсотки зменшення за матеріалом

Ви вже зрозуміли, що коефіцієнт витягання визначає успішність операцій глибокого витягання. Але які конкретні межі застосовуються до глибокого витягання зі сталі, алюмінію чи нержавіючої сталі? Без точних числових параметрів ви просто відгадуєте. Цей розділ надає точні значення, необхідні для розрахунку кількості стадій та запобігання пошкодженню матеріалу.

Максимальні коефіцієнти витягування за типами матеріалів

Формула граничного коефіцієнта витягування (LDR) є простою:

LDR = D / d, де D — діаметр заготовки, а d — діаметр пуансона (внутрішній діаметр стакана)

Цей коефіцієнт показує, наскільки велику заготовку можна успішно формувати з використанням певного розміру пуансона. Згідно з Toledo Metal Spinning , ця формула є вихідною точкою для визначення необхідної кількості операцій витягування. Однак головне усвідомлення полягає в тому, що значення LDR суттєво відрізняються для різних матеріалів.

Коли процес штампування листового металу виходить за межі цих обмежень, колове стискальне напруження перевищує те, що матеріал може витримати. Як Macrodyne Press пояснює, якщо ступінь обтиснення під час глибокого витягування перевищує межу матеріалу, заготовка розтягнеться або розірветься біля носка пуансона. Опір течії просто перевищує межу міцності при розтягуванні.

Ось що вам потрібно знати про параметри, специфічні для кожного матеріалу:

Тип матеріалу	Межа першого витягування	Зниження подальшого витягування %	Рекомендований поріг відпалювання
Низьковуглецева сталь (лист глибокого витягування)	2.0 - 2.2	25% - 30%	Після 40% сумарного зниження
Нержавіюча сталь (304/316)	1.8 - 2.0	20% - 25%	Після 30% сукупного зниження
Алюмінієві сплави (1100, 3003)	1.9 - 2.1	20% - 25%	Після 35% сукупного зниження
Мідні сплави (C11000, C26000)	2.0 - 2.3	25% - 30%	Після 45% сукупного зниження

Зверніть увагу, що глибока витяжка з нержавіючої сталі має найскладніші параметри. Характеристики зміцнення при деформації означають менші коефіцієнти першої витяжки та необхідність раннього відпалювання порівняно з вуглецевою сталью або міддю.

Розрахунок відсотків зниження для багатостадійних операцій

Коли загальне зниження, яке потрібно досягти, перевищує можливості однієї операції витяжки, необхідно використовувати кілька стадій. Процес розрахунку передбачає системний підхід, який видання The Fabricator визначає як важливий для запобігання розривам, зморшкам та поверхневим дефектам.

Ось як визначити відсоток зменшення:

Зменшення % = (1 - Dc/Db) × 100

Де Dc — діаметр стакана, Db — діаметр заготовки.

Уявіть, що ви виготовляєте стакан діаметром 4 дюйми з заготовки діаметром 10,58 дюймів. Розрахунок показує, що потрібне загальне зменшення близько 62%. Оскільки зазвичай максимальний рівень першого витягування становить 50% для більшості матеріалів, вам потрібно буде кілька етапів.

Розгляньте цей практичний приклад з Macrodyne Press :

1. Перше витягування — Застосувати зменшення 50% (LDR 2,0), зменшивши заготовку діаметром 10,58 дюймів до проміжного діаметру 5,29 дюймів
2. Друге витягування — Застосувати зменшення до 30% (LDR 1,5), отримавши діаметр 3,70 дюймів
3. Третє витягування - За необхідності застосуйте зменшення на 20% (LDR 1,25) для кінцевих розмірів

Оскільки цільовий діаметр 4 дюйми знаходиться між можливостями другого витягування та розміром заготовки, двох етапів достатньо для успішного виготовлення деталі.

Як товщина матеріалу впливає на ці співвідношення

Товщі матеріали, як правило, допускають трохи вищі коефіцієнти витягування, оскільки краще чинять опір випинанню. Однак вони також потребують більшої сили прижиму заготовки та міцнішого інструменту. Тонколистова сталь для глибокого витягування може досягати значень LDR лише на нижньому краю опублікованого діапазону.

Ключовий принцип, який слід пам’ятати: вся площа поверхні, необхідна для кінцевої деталі, має бути присутньою в першому витягуванні. Як наголошує The Fabricator, після початкової операції витягування площа поверхні залишається незмінною. Ви розподіляєте наявний матеріал, а не створюєте новий матеріал у подальших операціях.

Після встановлення цих обмежень коефіцієнтів витягування далі потрібно точно розрахувати розмір заготовки, щоб забезпечити достатню кількість матеріалу для потрібної геометрії.

Методи та формули розрахунку розміру заготовки

Ви знаєте межі коефіцієнта витяжки. Ви розумієте відсотки зменшення. Але як визначити точний діаметр заготовки, необхідний для отримання потрібної чаші або корпусу? Якщо заготовка буде замала, матеріалу не вистачить. Якщо завелика — ви витрачатимете матеріал марно, утворюючи зайвий фланець, який ускладнює обрізання. Процес глибокої витяжки вимагає точності з самого першого кроку.

Основним принципом, що лежить в основі розрахунку розміру заготовки, є сталість об’єму. Як пояснює SMLease Design площа поверхні заготовки має дорівнювати площі поверхні готової деталі. Метал не зникає і не з’являється під час формування. Він просто перерозподіляється з плоского диска у вашу тривимірну геометрію.

Метод площі поверхні для розробки заготовки

Для циліндричних стаканів, які є найпоширенішими деталями з листового металу, отриманими шляхом глибокої витяжки, математичний підхід є елегантним. Ви фактично прирівнюєте дві площі поверхні: плоску круглу заготовку та сформований стакан із дном і бічною стінкою.

Розглянемо простий циліндричний стакан з радіусом Rf та висотою Hf. Радіус заготовки Rb можна обчислити за допомогою такого основного рівняння:

Rb = √[Rf × (Rf + 2Hf)]

Ця формула безпосередньо виводиться з рівності площі заготовки (πRb²) і площі стакана (πRf² + 2πRfHf). Коли ви розв’язуєте рівняння відносно Rb, отримуєте наведену вище залежність.

Розглянемо практичний приклад. Уявімо, що потрібно виготовити стакан діаметром 50 мм і глибиною 60 мм. Дотримуючись процесу розрахунку штампування витяжкою:

• Радіус стакана (Rf) = 25 мм
• Висота стакана (Hf) = 60 мм
• Радіус заготовки = √[25 × (25 + 120)] = √[25 × 145] = √3625 = 60,2 мм
• Діаметр заготовки = 60,2 × 2 = 120,4 мм

Цей розрахунок дає теоретичний мінімальний розмір заготовки. На практиці потрібен додатковий матеріал для обрізання та компенсації втрат через зменшення товщини.

Урахування припуску на обрізання та зменшення товщини матеріалу

Вимоги до реального процесу глибокого витягування виходять за межі теоретичного мінімуму. Потрібні технологічні відходи для чистового зрізання, а також компенсація змін товщини стінок під час формування.

Дотримуйтесь цих послідовних кроків для отримання розмірів заготовки, придатної для виробництва:

1. Обчисліть площу поверхні готової деталі - Використовуйте геометричні формули для вашої конкретної форми. Для циліндрів: πd²/4 + πdh. Для складних геометрій програмне забезпечення САПР забезпечує точне вимірювання площі поверхні.
2. Додайте припуск на обрізання - У галузі рекомендується додавати подвійну товщину металу до висоти стакана перед розрахунком. Для матеріалу товщиною 0,010 дюйма, що утворює стакан висотою 4 дюйми, розрахункова висота становитиме 4,020 дюйма.
3. Враховуйте зменшення товщини матеріалу - Зменшення товщини стінок на 10-15% зазвичай відбувається в бічних стінках стакана. Деякі фахівці додають 3-5% до розрахункової площі заготовки як коефіцієнт компенсації зменшення товщини.
4. Визначте остаточний діаметр заготовки - Застосуйте формулу площі поверхні з урахуванням скоригованих розмірів, а потім округліть до практичного розміру для різання.

Згідно Виробник , додавання подвійної товщини металу як додаткового матеріалу для обрізки є гарною практикою для забезпечення чітких остаточних розмірів після формування.

Коли спрощені формули недостатні

Наведені вище рівняння чудово працюють для простих циліндричних стаканів. А як щодо ступінчастих діаметрів, деталей із фланцями чи неправильних перерізів? Складні геометрії вимагають інших підходів.

Вам слід перейти до розрахунків площі поверхні на основі САПР, коли:

• Ваша деталь включає кілька змін діаметра або конічні ділянки
• Кутові радіуси суттєво впливають на площу поверхні (проста формула ігнує радіус наконечника пробойника)
• Несиметричні форми вимагають розроблених заготовок замість круглих заготовок
• Жорсткі допуски вимагають точності, що перевершує коригування за правилом великих пальців

Для прямокутних або неправильних глибоковитягнутих деталей, форма заготовки сама по собі може не бути круглою. Ці розроблені заготовки вимагають аналізу САПР або моделювання методом скінченних елементів, щоб визначити оптимальну початкову геометрію. Анізотропія матеріалу від напрямку прокатки також впливає на оптимізацію форми заготовки для некруглих деталей.

Після розрахунку розміру заготовки та вибору матеріалу наступним критичним параметром проектування є специфікація радіусів пробойника та матриці, які визначають, наскільки плавно метал течітиме під час формування.

Специфікація радіусів пробойника та матриці для оптимального течіння матеріалу

Ви розрахували розмір заготовки і знаєте коефіцієнти витяжки. Тепер настає параметр, який може зробити або зіпсувати вашу операцію глибокої витяжки металу: радіуси інструменту. Радіус носка пуансона та радіус входу матриці визначають, наскільки інтенсивно метал згинається під час переходу з фланця до бічної стінки. Помилитеся з цими параметрами — отримаєте або розриви через надмірну концентрацію напружень, або зморшки через недостатній контроль матеріалу.

Ось основний принцип: метал, що проходить через гострі кути, зазнає локальних деформацій, які перевищують межу пластичності. Навпаки, надто великі радіуси не забезпечують належного напрямлення матеріалу, дозволяючи стисливому випинанню. Ваше завдання — знайти оптимальне значення для кожної комбінації матеріалу та товщини.

Рекомендації щодо радіуса носка пуансона для різних матеріалів

Радіус кута пуансона визначає розподіл напружень у найбільш вразливому місці вашої витягнутої деталі. Згідно з Аналізом DFM Вікіпедії щодо глибокої витяжки , кут штампу має бути в 4-10 разів більшим за товщину листа. Найбільше зменшення товщини відбувається поблизу кута штампу, оскільки рух металу значно зменшується в цьому регіоні. Занадто гострий кут призводить до тріщин поблизу основи штампу.

Чому саме це місце так важливе? Під час процесу витягування матеріал розтягується над носовою частиною пуансона, одночасно стискаючись по колу. Цей двовісний стан напруження концентрується в перехідному радіусі. Недостатній радіус створює концентратор напружень, що призводить до розриву до завершення витягування.

Розгляньте, що відбувається при різних значеннях радіуса:

• Занадто малий (нижче 4t) - Сильна локалізація деформації призводить до розриву на носовій частині пуансона, особливо в матеріалах, схильних до зміцнення при деформації, таких як нержавіюча сталь
• Оптимальний діапазон (4–10t) - Напруження розподіляються по більш широкій зоні, забезпечуючи контрольоване зменшення товщини без відмов
• Занадто великий (понад 10t) - Недостатнє обмеження призводить до того, що дно прогинається або складається в складки, а контури бічних стінок стають нечіткими

Для глибокого витягування металевих заготовок із високоміцних матеріалів слід обирати більші значення цього діапазону. М'якші матеріали, як алюміній та мідь, можуть витримувати радіуси, ближчі до 4t.

Специфікації радіусу вхідного отвору матриці та їх вплив

Радіус кута матриці визначає, яким чином метал переходить від горизонтальної фланцевої зони до вертикальної порожнини матриці. Тут стиснення у фланці перетворюється на розтягнення у стінці. Як Посилання на глибоке витягування у Вікіпедії зазначає, радіус матриці зазвичай має становити 5–10 разів більше за товщину листа. Якщо цей радіус занадто малий, зморшкування поблизу фланця стає більш помітним, а тріщини виникають через різкі зміни напрямку течії металу.

Радіус матриці створює іншу проблему порівняно з радіусом пуансона. У цьому випадку метал згинається навколо зовнішнього кута під тиском прижимача заготовки. Недостатній радіус призводить до:

• Надмірного тертя та утворення тепла
• Подряпин та заїдання поверхні
• Локального розриву на переході радіусу
• Збільшені вимоги до зусилля протягування

Надто великий радіус матриці, однак, зменшує ефективну площу контакту тримача заготовки та призводить до передчасного вивільнення матеріалу з фланцевої зони, сприяючи утворенню складок.

Специфікації радіуса за товщиною матеріалу

Наведена нижче таблиця містить конкретні рекомендації щодо операцій глибокого витягування для поширених діапазонів товщини матеріалу:

Діапазон товщини матеріалу	Рекомендований радіус пуансона	Рекомендований радіус матриці	Примітки щодо коригування
0.010" - 0.030" (0.25-0.76 мм)	6–10 × товщина	8–10 × товщина	Тонкі матеріали потребують більших кратних радіусів, щоб запобігти розриву
0.030" - 0.060" (0.76-1.52 мм)	5–8 × товщина	6–10 × товщина	Стандартний діапазон для більшості застосувань
0.060" - 0.125" (1.52-3.18 мм)	4–6 × товщина	5–8 × товщина	Товстіші матеріали допускають менші кратні значення
0.125" - 0.250" (3.18-6.35 мм)	4–5 × товщина	5–6 × товщина	Важкий калібр; розгляньте кілька витягів для глибоких деталей

Тип матеріалу також впливає на ці специфікації. Нержавійна сталь зазвичай вимагає радіусів на верхньому рівні кожного діапазону через її схильність до зміцнення при обробці. М'який алюміній і мідь можуть використовувати значення ближче до нижнього рівня.

Співвідношення між зазором матриці та товщиною матеріалу

Окрім радіусів, зазор між пуансоном і матрицею критично впливає на потік матеріалу. Згідно з рекомендаціями DFM з Вікіпедії, зазор має бути більшим за товщину металу, щоб уникнути концентрації металу вгорі порожнини матриці. Однак, зазор не повинен бути надто великим, щоб потік металу не став неконтрольованим, що призводить до зморшкування стінок.

Практичне керівництво щодо зазору при витяганні:

Зазор = Товщина матеріалу + (10% до 20% товщини матеріалу)

Для матеріалу товщиною 0,040", зазор повинен бути від 0,044" до 0,048". Це забезпечує достатній простір для природного збільшення товщини бічних стінок, зберігаючи достатній обмежуючий вплив, щоб запобігти вигинанню.

Деякі операції навмисно зменшують зазор, щоб «проштовхнути» бічну стінку, забезпечуючи більш рівномірну товщину та кращу поверхневу обробку. Як пояснює Hudson Technologies, інструмент може бути спроектований так, щоб навмисно зменшувати або «проштовхувати» бічні стінки понад природну тенденцію, додаючи розмірну стабільність і створюючи більш естетично привабливий корпус.

Врахування радіуса кутів для некруглих деталей

Прямокутні та квадратні витягнуті деталі ускладнюють процес. Внутрішні радіуси кутів стають найважливішим конструктивним параметром. Згідно з Hudson Technologies , загальне правило полягає в тому, що товщина матеріалу, помножена на два, дорівнює найменшому можливому радіусу кута. Бажані більші радіуси кутів, що може зменшити необхідну кількість витягувань.

Можливі винятки за рахунок додаткових операцій витягування для подальшого зменшення радіусів кутів, але слід бути обережним. При досягненні меж радіуса кута може відбуватися збільшене зменшення товщини матеріалу та вигин бічної стінки поруч.

Для некруглих деталей враховуйте ці рекомендації:

• Мінімальний внутрішній радіус кута = 2 × товщина матеріалу (абсолютний мінімум)
• Бажаний внутрішній радіус кута = 3-4 × товщина матеріалу (зменшує кількість операцій витягування)
• Радіус нижнього кута = Дотримуйтесь рекомендацій щодо радіуса пуансона (4-10 × товщина)

Зміни радіуса для наступних операцій витягування

Коли ваша деталь потребує кількох етапів витягування, специфікації радіуса змінюються між операціями. Інструменти для першого витягування зазвичай використовують більш великі радіуси, щоб зменшити зміцнення матеріалу та забезпечити успішний рух матеріалу. Наступні витягування можуть використовувати поступово менші радіуси, коли деталь наближається до остаточних розмірів.

Типова послідовність:

• Перше витягування - Радіус матриці 8-10 × товщина; радіус пуансона 6-8 × товщина
• Друге витягування - Радіус матриці 6-8 × товщина; радіус пуансона 5-6 × товщина
• Остаточне витягування - Радіус матриці 5-6 × товщина; радіус пуансона 4-5 × товщина

Якщо між операціями витягування проводиться відпал, можна повернутися до більш агресивних радіусів, оскільки зняття наклепу відбулося. Без проміжного відпалу кожне наступне витягування виконується з матеріалом, який поступово утверджується, що вимагає більш обережного підходу до радіусів, щоб запобігти тріщинам.

Після того як визначено радіуси і зазори інструменту, наступним кроком є планування необхідної кількості етапів витягування та послідовності відсотків обтиснення на цих операціях.

Планування багатоступеневих операцій витягування та послідовностей обтиснення

Ви визначили коефіцієнти витягування, розрахували розміри заготовки та вказали радіуси інструменту. Тепер постає питання, яке відрізняє успішні проекти глибокого витягування від коштовних невдач: скільки етапів витягування насправді потрібно для вашої деталі? Недооцініть — і матеріал порветься. Переоцініть — і ви марно витратите кошти на оснащення та час циклу.

Відповідь полягає в систематичному плануванні ступеневого зменшення. Як Бібліотека виробництва пояснює, якщо відсоток зменшення перевищує 50%, потрібно планувати операції повторного витягування. Але це лише початок. Властивості матеріалу, геометрія деталі та вимоги до виробництва всі впливають на ваші рішення щодо етапів.

Розрахунок необхідної кількості етапів витягування

Співвідношення глибини до діаметра надає перший показник складності етапів. Деталі з малим ступенем заглиблення та співвідношенням менше 0,5, як правило, формуються за одну операцію витягування. Але що відбувається, коли ви виробляєте глибокі циліндричні оболонки, корпуси акумуляторів чи посудини під тиском із співвідношенням глибини до діаметра понад 2,0?

Дотримуйтесь цього системного підходу, щоб визначити вимоги до вашого процесу штампування:

1. Визначте загальне необхідне зменшення - Обчисліть відсоток зменшення від діаметра заготовки до кінцевого діаметра деталі за формулою: Зменшення % = (1 - Dp/Db) × 100. Наприклад, заготовка діаметром 10 дюймів, яка утворює чашу діаметром 4 дюйми, потребує загального зменшення на 60%.
2. Застосовуйте граничні значення зменшення, специфічні для матеріалу, на кожному етапі - Враховуйте максимальний допустимий перший прохід для вашого матеріалу (зазвичай 45–50% для сталі, 40–45% для нержавіючої сталі). Подальші проходи передбачають поступово менші зменшення: 25–30% для другого проходу, 15–20% — для третього.
3. Передбачте проміжне відпалювання за необхідності - Якщо сумарне зменшення перевищує поріг зміцнення матеріалу при деформації (30–45%, залежно від сплаву), плануйте відпалювання для зняття напруження між етапами, щоб відновити пластичність.
4. Спроектуйте станції прогресивної матриці - Прив’яжіть кожен етап зменшення до окремої станції матриці, враховуючи транспортування матеріалу, вимоги до змащення та контрольні точки перевірки якості.

Розгляньте практичний приклад операції глибокого витягування: вам потрібна чаша діаметром 3 дюйми і глибиною 6 дюймів з низьковуглецевої сталі товщиною 0,040 дюйма. Ваше співвідношення глибини до діаметра становить 2,0, що значно перевищує можливості одностадійного витягування. Рухаючись у зворотному напрямку від кінцевих розмірів, можна запланувати три етапи зі зменшенням на 48%, 28% та 18% відповідно.

Планування зменшення на послідовних операціях

Після визначення кількості стадій важливо правильно встановити послідовність зменшення. Перше витягування виконує основну роботу, а наступні — уточнюють геометрію та забезпечують остаточні розміри.

Ось що враховують успішні операції виробництва глибокого витягування на кожному етапі:

• Перше витягування - Створює всю площу поверхні, необхідну для готової деталі. Тут відбувається максимальне зменшення (зазвичай 45–50%). Радіуси інструменту найбільші, щоб мінімізувати загартування матеріалу.
• Друге витягування (повторне) - Зменшує діаметр на 25-30% при збільшенні глибини. Матеріал ущільнюється після першої операції, тому зусилля збільшуються, навіть якщо відсоток зменшення менший.
• Третє та наступні витягування - Подальше зменшення діаметра на 15-20% на кожному етапі. Оцініть, чи необхідно відпалення, на основі сукупних деформацій.

Згідно Бібліотека виробництва , при проектуванні проміжних форм потрібно встановити площі поверхні заготовки, проміжних деталей та остаточної витяжки рівними. Цей принцип сталості об’єму забезпечує перерозподіл існуювого матеріалу замість спроби створити нову площу поверхні.

Коли виникає процес виправлення

Іноді вимоги виробництва глибокого витягування передбачають товщину стінок, тонші, ніж у стандартному витягуванні. Тут застосовується процес виправлення. Під час стандартного глибокого витягування стінки трохи потовщуються, оскільки матеріал стискається всередину. Виправлення звертає цей процес, спецово зменшуючи зазор між пуансоном і матрицею, щоб зробити стінки тоншими.

Розгляньте можливість застосування виправлення, коли:

• Рівномірність товщини стінки є критично важливою для вашого застосування
• Вам потрібні стінки тонші, ніж початкова товщина заготовки
• Вимоги до обробленої поверхні вимагають ефекту полірування, який забезпечує прошивання
• Найважливішим є розмірна стабільність протягом усіх серій виробництва

Прошивання зазвичай відбувається на останньому етапі витяжки або як окрема операція після витяжки. Цей процес додає розмірної стабільності і забезпечує більш естетично привабливу поверхню, але вимагає додаткових інвестицій у оснащення та ретельного розрахунку зусиль

Поступовий штамп порівняно з передавальним штампом

Ваш план етапів повинен відповідати конфігурації преса. Існують два основні варіанти багатоетапної штампувальної витяжки: поступові штампи та передавальні штампи. Кожен із них має чіткі переваги залежно від геометрії деталі та обсягу виробництва

За словами Die-Matic, прогресивна штампувальна витяжка використовує безперервну смугу металу, яка подається через кілька станцій, де операції відбуваються одночасно. Цей підхід ідеально підходить для високоволокого виробництва простіших геометрій. Смуга автоматично зберігає положення деталі, що зменшує складність обробки.

Навпаки, передавальна штампувальна витяжка переміщує окремі заготовки між станціями за допомогою механічних або гідравлічних систем передачі. Як пояснює Die-Matic, цей метод найкращий для складних деталей, що потребують кількох операцій формування або глибокої витяжки. Характерна переривчаста робота дозволяє точно контролювати потік матеріалу на кожній станції.

Налаштування	Краще для	Обмеження	Типові застосування
Прогресивна матриця	Великі обсяги, прості геометрії, тонкі матеріали	Обмежена глибина витяжки, обмеження ширини смуги	Електронні компоненти, невеликі корпуси, мілкі чаші
Перехідний штамп	Складні деталі, глибока витяжка, вузькі допуски	Повільніші цикли, вища складність оснащення	Автомобільні панелі, посудини під тиском, глибокі циліндричні оболонки

Для глибокого витягування зі співвідношенням глибини до діаметра понад 1,0, зазвичай кращі результати забезпечують штампи перенесення. Можливість точно переустановлювати заготовки на кожній станції дозволяє контролювати потік матеріалу, що є важливим у багатоступеневих операціях. Прогресивні штампи добре працюють тоді, коли перше витягування досягає більшої частини необхідної глибини, а наступні станції виконують обрізання, пробивання або незначні формувальні операції.

Після визначення вашого плану етапів і конфігурації штампа наступним важливим чинником є розрахунок зусиль прижиму заготовки, які запобігають зморшкуванню, уникнувши при цьому надмірного тертя, що призводить до розривів.

Вимоги до зусилля прижиму заготовки та регулювання тиску

Ви спланували етапи витягування та вибрали конфігурацію матриці. Тепер настає параметр, який вимагає точного калібрування: сила прижиму заготовки. Застосуйте надто малу силу — стискальні напруження зімнуть фланець, утворюючи складки. Застосуйте надто велику — тертя перешкоджатиме руху матеріалу, що призведе до розриву деталі біля носка пуансона. Щоб знайти баланс, потрібно розуміти як фізику процесу, так і змінні, які ви можете контролювати.

Прижимач заготовки виконує одну основну функцію: утримання ділянки фланця з одночасним забезпеченням контрольованого втікання матеріалу в порожнину матриці. Згідно з Моделлю вартості витягування FACTON , площа прижимача заготовки — це область матеріалу, яку необхідно утримувати під час глибокого витягування, щоб уникнути зминання. Тиск, прикладений до цієї області, разом із тертям, створює опір, який регулює подачу металу під час формування.

Формули та змінні тиску прижиму заготовки

Розрахунок відповідного зусилля прижиму заготовки — це не вгадування. Зв'язок між тиском, властивостями матеріалу та геометрією підпорядковується встановленим принципам. Ось основний підхід:

Зусилля прижиму заготовки = Площа прижиму × Тиск прижиму

Здається просто? Складність полягає у визначенні правильного значення тиску. На необхідний тиск прижиму впливає низка факторів:

• Міцність матеріалу - Матеріали з вищою межею міцності потребують більшого зусилля затиснення для контролю протягування. Як зазначає FACTON, межа міцності безпосередньо враховується при розрахунку тиску прижиму заготовки.
• Діаметр заготовки - Більші заготовки створюють більші стискальні зусилля в зоні фланця, що вимагає пропорційно вищого обмеження.
• Глибина штампування - Глибше витягування потребує сталого тиску протягом довшого ходу, що впливає як на величину зусилля, так і на конструкцію системи.
• Коефіцієнт тертя - Якість мастила безпосередньо впливає на те, скільки зусилля перетворюється на утримання матеріалу, а скільки — на виділення тепла.
• Коефіцієнт витягування - Вищі співвідношення концентрують більше стискального напруження у фланці, що вимагає збільшення тиску затиснення.

Поширеною початковою формулою для тиску прижиму заготовки є діапазон від 0,5 до 1,5 МПа для м’якої сталі, з коригуванням залежно від конкретного матеріалу та геометрії. Для нержавіючої сталі зазвичай потрібні більші значення тиску через її схильність до зміцнення при деформації. Алюмінієві та мідні сплави часто добре обробляються при нижчих тисках.

Розрахунок площі прижиму заготовки залежить від розміру заготовки та геометрії матриці. По суті, ви розраховуєте кільцевий простір між отвором матриці та краєм заготовки. Під час процесу витягування ця площа зменшується, що пояснює переваги систем із змінним тиском для глибокого витягування.

Балансування запобігання зморшкам і ризику розриву

Згідно з дослідженням, опублікованим у CIRP Annals , основними видами відмов при глибокому витягуванні є зморшкуватість і розрив, і в багатьох випадках ці дефекти можна усунути за рахунок належного контролю зусилля притримання заготовки. Цей висновок підкреслює, чому калібрування зусилля притримання заготовки є таким важливим проектним параметром.

Ось яка фізика тут діє: під час штампування глибокого витягування в фланці виникають окружні стискальні напруження, коли матеріал рухається радіально всередину. За відсутності достатнього обмеження ці напруження спричиняють вигин фланця вгору, утворюючи зморшки. Проте надмірне обмеження повністю перешкоджає руху матеріалу, і розтягувальні напруження поблизу пуансона перевищують міцність матеріалу, викликаючи розриви.

Дослідження зазначає, що зморшкування стінки є особливо складним, оскільки у цьому місці листовий матеріал не підтримується інструментом. Пригнічення зморшок на стінці шляхом регулювання сили прижиму заготовки є складнішим, ніж запобігання зморшкам на фланці. Це означає, що ваші налаштування тиску мають враховувати місця, де найімовірніше виникнуть дефекти.

Звідки знати, що тиск прижиму заготовки неправильний? Звертайте увагу на такі діагностичні ознаки:

• Малюнки зморшок - Осциляційні складки в зоні фланця вказують на недостатній тиск; зморшки на стінці свідчать про складніші проблеми контролю течії матеріалу
• Розрив краю - Тріщини, що виникають на краю заготовки, свідчать про надмірне тертя через надто високий тиск
• Нерівна товщина стінки - Асиметричні малюнки потоншення вказують на неоднорідний розподіл тиску по поверхні прижиму заготовки
• Нанесення рисок на поверхню - Сліди задирок на фланці свідчать про надмірний тиск у поєднанні з недостатньою мастилом
• Розрив носка пуансона - Тріщини біля дна чаші свідчать про те, що матеріал не може достатньо вільно рухатися, щоб зняти розтягувальні напруження

Якщо ви бачите зморшки, інстинктивно може здаватися, що потрібно різко збільшити тиск. Стримайте цей порив. Поступові коригування на 10–15% дозволяють наблизитися до оптимального тиску, не перетнувши межу, що призводить до розривів.

Системи змінного тиску прижиму заготовки

Для складних металевих деталей глибокої витяжки постійний тиск протягом усього ходу часто виявляється недостатнім. Як пояснює The Fabricator, електронні системи регулювання зазорів забезпечують найбільшу гнучкість у контролі подачі заготовки та металу під час операцій глибокої витяжки. Ці системи дозволяють регулювати тиск прижиму заготовки в будь-якій точці периметра витягнутого контуру на будь-якому етапі ходу преса.

Чому важливий змінний тиск?

• На початку ходу весь площа заготовки потребує обмеження, щоб запобігти утворенню зморшок
• Оскільки матеріал надходить у матрицю, площа фланця поступово зменшується
• Підтримання постійного зусилля на зменшуваній площі означає зростання ефективного тиску
• Цей підвищений тиск може перешкоджати матеріалу рухатися під час критичної фінальної стадії витяжки

Системи змінного тиску вирішують цю проблему шляхом зменшення зусилля в міру просування витяжки, забезпечуючи оптимальний тиск замість оптимального зусилля. Згідно з The Fabricator, ці системи також можуть компенсувати зміни товщини металу, що виникають під час процесу витяжки, усуваючи необхідність у бігучій точці на тримачі заготовки.

Вимоги до подушок матриці та альтернативи азотних пружин

Зусилля на вашому тримачі заготовки має бути забезпечене певним джерелом. Існують три основні варіанти, кожен з яких має власні характеристики для застосувань глибокої витяжки металевих штампівок.

Подушки преса відображають традиційний підхід. Як зазначає The Fabricator, гідравлічні подушкі можуть створювати величезне зусилля притримувача заготовки, необхідне для витягування деталей типу капотів автомобілів та зовнішніх панелей дверей. Ці системи забезпечують зусилля через повітряні або подушкові штифти, які рівномірно передають тиск по всій поверхні притримувача заготовки.

Проте, прес-подушкі вимагають уваги під час обслуговування. The Fabricator попереджає, що якщо повітряні штифти пошкоджені, вигнуті або нерівні, може виникнути прогин біндера, що призведе до поганого прилягання між поверхнею матриці та притримувачем заготовки, і може спричинити втрату контролю над металом. Аналогічно, подряпана або забруднена поверхня подушки погіршує рівномірність тиску незалежно від точності штифтів.

Нітровані пружини пропонують автономне рішення, яке монтується безпосередньо в матрицю. Ці газонаповнені циліндри забезпечують постійне зусилля протягом усього ходу та не потребують зовнішнього джерела тиску. Для формування металу, клеймування та інших прецизійних операцій азотні пружини забезпечують відтворюваність, якої повітряні системи іноді не можуть досягти.

Переваги азотних пружин включають:

• Компактне розташування всередині конструкції матриці
• Постійна вихідна сила, незалежно від стану подушкі преса
• Проста заміна та обслуговування
• Передбачувана робота протягом серій виробництва

Компроміс? Азотні пружини мають фіксовані характеристики сили. Ви не можете регулювати тиск під час ходу, не змінюючи специфікації пружини. Для деталей, що вимагають змінних профілів зусилля прижиму заготовки, системи подушок преса з програмованим керуванням пропонують більшу гнучкість.

Циліндри підйомника запасів є ще однією опцією, особливо для застосувань прогресивних штампів. Згідно з The Fabricator, ці готові до встановлення газові пружини можуть поглинати більше бічного тиску та витримувати сильніші навантаження, ніж звичайні циліндри. Вони постачаються з наперед нарізаними отворами для кріплення направляючих рейок, що спрощує конструкцію штампу.

Під час вибору системи тиску слід узгоджувати складність із вимогами. Не вкладайте кошти в дорогі електронні системи регулювання зазору, якщо достатньо простих азотних пружин. Навпаки, не очікуйте успішного витягування складних геометрій за допомогою базових уретанових систем тиску, які не мають необхідної сили та точності керування для важких застосувань.

Якщо сила прижиму заготовки правильно відкалібрована, ви можете виготовляти стабільні деталі. Але що робити, якщо дефекти все одно виникають? У наступному розділі наведено систематичні підходи до діагностики та усунення зморшок, розривів і проблем із якістю поверхні, які виникають навіть при наявності добре спроектованого інструменту.

Усунення несправностей глибокого витягування та аналіз кореневих причин

Ви налаштували зусилля тримача заготовки, визначили радіуси інструдів та планували послідовність зниження. Проте дефекти все ще з'являються на ваших деталях. Що не так? Відповідь полягає в систематичній діагностиці. Кожна зморшка, розрив і поверхневий дефект розповідає історію про ваш процес. Навчання розшифровувати ці шаблони відмов перетворює неприємний брак на дієву інформацію для покращення конструкції штампів.

Дефекти штампування глибокого витягування підпадають під передбачувані категорії, кожна з яких має чіткі візуальні ознаки та кореневі причини. Згідно з Metal Stamping O більшість проблем штампування глибокого витягування виникає через поєднання проблем інструдів та проектування. Шляхом огляду готового виробу досвідчений погляд може чітко розповісти про якість процесу. Ваше завдання — розвинути цей досвідчений погляд.

Діагностика зморшок та розривів

Зморшкуватість і розриви представляють собою протилежні кінці спектра течії матеріалу. Зморшки вказують на неконтрольоване стискання. Розриви свідчать про надмірний натяг. Розуміння того, де кожен дефект з'являється на вашій деталі, безпосередньо вказує на параметр конструкції штампа, що спричинив його.

Діагностика зморшкуватості: Де утворюються зморшки на вашій деталі? Зморшки на фланці, що з'являються на краю заготовки, зазвичай свідчать про недостатній тиск прижимача. Як пояснює Metal Stamping O, якщо прижимач не збалансований, надто тугий або якщо на краю заготовки є заусенець, то метал не зможе правильно текти, утворюючи характерні зморшки по верхньому краю. Зморшки на стінці, що виникають у непідтримуваній ділянці між прижимачем і пуансоном, вказують на надмірний зазор або недостатній радіус матриці.

Рішення для усунення дефектів зморшкуватості:

• Поступово збільшуйте тиск прижимача (регулювання на 10–15%)
• Перевірте паралельність прижимача й усуньте нахил
• Огляньте краї заготовки на наявність заусенців, що перешкоджають правильному приляганню
• Зменшіть зазор матриці, щоб забезпечити кращу підтримку стінки
• Переконайтеся в рівномірному розподілі тиску по всій поверхні прижимача заготовки
• Розгляньте можливість використання тягових ребер для збільшення обмеження матеріалу в проблемних зонах

Діагностика розривів: Місце розриву вказує на джерело концентрації напружень. Тріщини поблизу носка пуансону свідчать про те, що матеріал не може достатньо вільно текти, щоб зменшити розтягувальні напруження. Згідно з Аналізом дефектів листового металу AC , надмірні зусилля формування металу пуансонами призводять до надмірної деформації, розривів і тріщин у штампованих деталях.

Крайові розриви, що виникають із периферії заготовки, свідчать про інші проблеми. Metal Stamping O зазначає, що тріщини на дні переважно пов’язані із станом заготовки та прижимача. Порізи або заїдання на поверхні можуть зменшити протягування матеріалу в матрицю, внаслідок чого утворюються тріщини на дні стакана.

Рішення для усунення дефектів розриву:

• Зменшіть тиск прижимача заготовки, щоб забезпечити більш вільний рух матеріалу
• Збільшіть радіус наконечника пуансона, щоб розподілити напруження на більшій площі
• Збільшіть радіус входу матриці, щоб зменшити тертя під час переходу матеріалу
• Переконайтеся, що зазор між пуансоном і матрицею не надто малий для товщини вашого матеріалу
• Покращте змащення, щоб зменшити розтягувальні напруження, спричинені тертям
• Розгляньте варіант відпалювання, якщо загартування від попередніх операцій зменшило пластичність
• Зменшіть коефіцієнт витяжки, додавши додаткові етапи витяжки

Вирішення проблем з гофруванням та якістю поверхні

Не всі дефекти призводять до катастрофічного відмови. Гофрування створює неоднакову висоту стакана, що вимагає надмірної обрізки. Дефекти поверхні погіршують зовнішній вигляд і можуть впливати на функціонування деталі. Обидва випадки пов’язані з контрольованими технологічними параметрами.

Пояснення гофрування: Коли ви оглядаєте витягнутий стакан і помічаєте, що висота краю змінюється по колу, ви бачите гофрування. Як пояснює Breaking AC, дефект гофрування — це неоднакова висота краю витягнутої деталі. Основна причина — неврахування сумісності матеріалів інструменту та заготовки.

Однак основну роль відіграє анізотропія матеріалу. Листовий метал, отриманий процесом прокатки, має напрямкові властивості. Зерна видовжуються в напрямку прокатки, утворюючи різні механічні властивості під кутами 0°, 45° і 90° до цього напрямку. Під час глибокого витягування металу матеріал легше тече в певних напрямках, ніж в інших, утворюючи характерні «вушка» у передбачуваних кутових позиціях.

Стратегії зменшення утворення вушок:

• Вибирайте матеріали з низькими значеннями плоскої анізотропії (коефіцієнт r близький до 1,0 у всіх напрямках)
• Використовуйте розроблені форми заготовок, які компенсують різницю в напрямку течії
• Збільште припуск на обрізку, щоб врахувати очікувані коливання висоти вушок
• Розгляньте можливість використання перехресно прокатаних матеріалів для критичних застосувань
• Налаштуйте тиск прижиму заготовки, щоб впливати на рівномірність течії

Проблеми з якістю поверхні: Подряпини, заїдання, структура «апельсинова шкірка» та лінії матриці вказують на певні проблеми процесу. Заїдання виникає, коли недостатня мастильна здатність призводить до контакту металу з металом між заготовкою та інструментом. Структура «апельсинова шкірка» свідчить про надмірний ріст зерна через переанілювання або матеріал із непридатною структурою зерна для вашої глибини витяжки.

Рішення для поверхневих дефектів:

• Покращте якість та покриття мастила, особливо в зонах з великим тертям
• Поліруйте поверхні матриці та пуансона, щоб зменшити тертя та запобігти прилипанню матеріалу
• Виберіть відповідну інструментальну сталь і обробку поверхні для вашого поєднання матеріалів
• Переконайтеся, що розмір зерна матеріалу відповідає ступеню витяжки
• Перевірте наявність забруднень або сторонніх частинок на поверхнях тримача заготовки та матриці
• Розгляньте можливість використання захисних плівок для деталей, які вимагають бездоганної поверхні

Комплексна таблиця довідника з дефектів

Наведена нижче таблиця узагальнює діагностику дефектів у зручному форматі для сталі глибокої витяжки, нержавіючої сталі та інших поширених матеріалів:

Тип дефекту	Візуальні показники	Основні причини	Поправні заходи
Фланцеве зморшкування	Кільцеві складки на краю заготовки; хвиляста поверхня фланця	Недостатній тиск прижимача заготовки; неспіввісність прижимача; заусенці на краю заготовки	Збільшити силу прижиму заготовки (BHF); перевірити паралельність прижимача; усунути заусенці з заготовок; додати тягові ребра
Стінове зморшкування	Складки на бічній стінці стакана між фланцем і носком пуансона	Надто великий зазор в матриці; недостатній радіус матриці; тонкий матеріал	Зменшити зазор; збільшити радіус матриці; розглянути операцію вирівнювання
Розрив носка пуансона	Тріщини, що виникають у радіусі дна стакана	Радіус пуансона занадто малий; перевищено коефіцієнт витяжки; надмірний тиск прижиму (BHF); недостатнє змащення	Збільшити радіус пуансона; додати стадію витяжки; зменшити тиск прижиму (BHF); покращити змащення
Розрив краю	Тріщини, що виникають від периферії заготовки	Надмірний тиск утримувача фланця; заусенці на краю заготовки; задирання на утримувачі заготовки	Зменшити тиск утримувача фланця; зняти заусенці з заготовок; відполірувати утримувач заготовки; покращити змащення
Утворення вушок	Нерівна висота краю стакана; характерні піки через кожні 45°	Плоска анізотропія матеріалу; нестабільний тиск утримувача заготовки	Використовувати ізотропний матеріал; застосовувати розроблені заготовки; збільшити припуск на обрізку
Нерівна товщина стінки	Локальні тонкі ділянки; асиметричний розподіл товщини	Невідповідність положення пуансона та матриці; неоднорідний тиск утримувача фланця; неоднорідність матеріалу	Перевірити інструмент; перевірити рівномірність BHF; перевірити узгодженість матеріалу
Задирання/подряпини	Лінійні подряпини; прилипання матеріалу до інструменту	Недостатнє змащення; несумісний матеріал інструменту; надмірний тиск	Покращити мастило; нанести поверхневі покриття; зменшити контактний тиск
Помаранчева шкіра	Шорстка, текстурована поверхня, схожа на цитрусову шкірку	Надмірний розмір зерна; перегрів під час відпалювання; сильна деформація	Використовувати матеріал із дрібнішим зерном; контролювати параметри відпалювання
Вискок	Розміри деталі відрізняються від геометрії матриці; стінки вигинаються назовні	Пружне відновлення після формування; матеріали підвищеної міцності	Забезпечити перевищення згинання інструментом для компенсації; збільшити час утримання у нижній точці ходу

Систематичний діагностичний підхід

Коли дефекти з'являються під час глибокого витягування сталі або інших матеріалів, стримайте спокусу вносити кілька змін одночасно. Замість цього, дотримуйтесь методичного процесу:

1. Точно перевірити місце дефекту - Детально зафіксувати, де саме на деталі виникає дефект. Зробити фотографію зразка пошкодження для довідки.
2. Аналізувати зразок пошкодження - Чи він симетричний чи локальний? Чи виникає у послідовних кутових позиціях? Чи з'являється на одній і тій самій позиції ходу?
3. Відстежити до параметра конструкції матриці - Скористайтеся наведеною вище таблицею дефектів, щоб визначити ймовірні первинні причини на основі типу та розташування дефекту.
4. Вносити зміни по одному параметру - Змінювати лише один параметр за раз, щоб ізолювати його вплив. Фіксувати кожну зміну та результат.
5. Перевірка стабільності виправлення - Виготовте достатню кількість деталей, щоб підтвердити, що виправлення працює стабільно в умовах виробництва, а не лише на кількох зразках.

Згідно Metal Stamping O , отримання розуміння методу глибокого витягування, а також знання того, як досліджувати готову деталь, є обов’язковим під час прийняття рішень. Ця діагностична здатність є надзвичайно цінною як на етапі первинного створення матриць, так і під час усунення несправностей у процесі виробництва.

Пам’ятайте, що деякі дефекти взаємопов’язані. Збільшення зусилля прижиму заготовки для усунення зморшок може спонукати процес до розриву. Мета полягає в тому, щоб знайти робоче вікно, у якому уникнуто обох видів відмов. Для складних геометрій це вікно може бути вузьким, що вимагає точних систем керування та стабільних властивостей матеріалу.

Після встановлення основ усунення несправностей сучасний дизайн матриць все більше спирається на інструменти моделювання для прогнозування та запобігання дефектам ще до обробки сталі. У наступному розділі досліджується, як аналіз CAE підтверджує ваші проектні рішення та прискорює шлях до готових до виробництва інструментів.

Інтеграція САЕ-моделювання для перевірки сучасного дизайну матриць

Ви оволоділи коефіцієнтами витяжки, визначили радіуси інструментів і набули досвіду усування несправностей. Але уявіть, що ви можете передбачити кожен дефект ще до обробки будь-якої заготовки інструментальної сталі. Саме це і дає моделювання CAE. Сучасне проектування штампування листового металу вийшло за межі методу проб і помилок. Метод скінченних елементів тепер віртуально підтверджує ваші проектні рішення, виявляючи зминання, розриви та утоншення матеріалу, поки ваша матриця існує лише у вигляді цифрової геометрії.

Чому це важливо для ваших проектів глибокої витяжки? Згідно з дослідженням, опублікованим у Міжнародному журналі інженерних досліджень та технологій , зменшення кількості випробувань безпосередньо впливатиме на тривалість циклу розробки. Коротший цикл можна спланувати за рахунок належного використання програмних інструментів, які передбачатимуть результати випробувань без їх фактичного проведення. Моделювання, запропоноване під час процесу штампування, надає важливу інформацію щодо необхідних змін у конструкції матриці та компонентів.

Інтеграція моделювання у перевірку проекту матриці

Аналіз методом скінченних елементів перетворює ваш робочий процес проектування матриць для металевого штампування від реактивного до прогнозуючого. Замість створення оснащення, проведення випробувань, виявлення дефектів, зміни сталі та повторення процесу, ви працюєте з цифровими ітераціями доти, доки моделювання не підтвердить успіх. Лише тоді ви приступаєте до виготовлення фізичного оснащення.

Фізика, що лежить в основі моделювання процесу штампування, полягає у розбитті заготовки на тисячі елементів, кожен з яких відстежує напруження, деформацію та переміщення в міру просування віртуального пуансона. Програмне забезпечення застосовує механічні властивості вашого матеріалу, коефіцієнти тертя та граничні умови для розрахунку деформації кожного елемента протягом усього ходу.

Що може передбачити моделювання, перш ніж ви щось виготовите?

• Схеми руху матеріалу - Візуалізуйте, як саме метал рухається з фланця в порожнину матриці, визначаючи ділянки надмірного стискання або розтягнення
• Розподіл зменшення товщини - Відстежуйте зміни товщини по всій деталі, виявляючи потенційні зони відмови до того, як вони призведуть до браку
• Схильність до зморшкування - Виявляйте короблення від стиснення у фланцях і не підтримуваних стінках, що вимагатиме змін у оснащенні
• Прогнозування пружного відгинання - Розраховуйте пружне відновлення після формування, щоб закласти компенсацію в геометрію матриці
• Оптимізація зусилля прижиму заготовки - Визначте ідеальні профілі тиску, які запобігають зминанню та розриву
• Ефективність тягових ребер - Перевіряйте конфігурації утримувачів віртуально, перш ніж вносити зміни в оснастку

Дослідження підтверджує ефективність цього підходу. Як зазначено в дослідженні IJERT, віртуальне підтвердження матриці за допомогою програмного забезпечення для моделювання має вирішувати задані проблеми на етапі проектування. Коли матриця виготовляється, випробування та перевірки передбачають підтвердження якості на фізичному інструменті під час перевірки якості компонента.

Розуміння діаграм меж формування

Серед результатів моделювання діаграма меж формування є найпотужнішим інструментом прогнозування дефектів. Згідно з Сімюляція штампування , основною метою будь-якого моделювання формування є перевірка поведінки матеріалу до виготовлення штампа. Спочатку це був дослідницький проект випускника 1965 року, метою якого було визначити, що спричиняє локальне звуження та розрив при формуванні листового металу, і чи можна передбачити розрив заздалегідь.

Ось як працює аналіз FLD: імітація обчислює деформацію в двох напрямках (по основній та побічній осях) для кожного елемента вашої формованої деталі. Ці пари деформацій зображаються як точки на графіку. Крива межі формування, унікальна для вашого конкретного матеріалу та товщини, розділяє безпечну зону та зони руйнування.

Що показує вам FLD щодо налаштування ваших глибокотягових пресів?

• Точки нижче кривої - Безпечні умови формування з достатнім запасом
• Точки, що наближаються до кривої - Зона ризику, яка вимагає уваги до конструкції
• Точки вище кривої - Руйнування неминуче; у цих місцях відбудеться розрив
• Точки в зоні стиснення - Схильність до зморшкуватості, що може вимагати збільшення тиску прижиму заготовки

Як пояснюється у довідці щодо моделювання штампування, крива граничних формоутворювальних характеристик визначається переважно коефіцієнтом n та товщиною певного матеріалу. Результати показують розраховані зони матеріалу, де відбувається плясання, ступінь утворення шийок, а також зони стиснення, в яких можуть утворитися зморшки та складки. Маючи цю інформацію, можна внести корективи до конструкції інструмента до того, як буде оброблено будь-яву сталь.

Від аналізу CAE до інструльного оснащення, готового для виробництва

Симуляція не замінює фізичну валідацію. Вона прискорює шлях до успішної фізичної валідації. Робочий процес відбувається за ітераційним циклом оптимізації:

1. Створити початковий дизайн інструмента - Розробити геометрію на основі розрахованих коефіцієнтів витяжки, специфікацій радіусів та розміру заготовки
2. Виконати моделювання формування - Застосувати властивості матеріалу, коефіцієнти тертя та технологічні параметри
3. Аналізувати результати - Переглянути графіки FLD, карти розподілу товщини та індикатори зморшкування
4. Визначити проблемні зони - Виявлення елементів, що перевищують безпечні межі або наближаються до порогових значень відмови
5. Змінити параметри конструкції - Змінити радіуси, зазори, тиск прижиму заготовки або конфігурацію тягової балки
6. Повторно запустити симуляцію - Переконатися, що модифікації усунули проблеми, не створивши нових
7. Повторювати доти, доки результат не буде прийнятним - Продовжувати оптимізацію, доки всі елементи не потраплять у межі безпечного формування
8. Передати на виготовлення інструменту - Упевнено приступити до виготовлення фізичної матриці

Згідно з дослідженням IJERT, матриця вважається валідованою після огляду фізичних пробних компонентів на наявність та величину дефектів. Низька поширеність та стабільність бажаних характеристик стануть основою для валідації. Симуляція значно скорочує кількість ітерацій, необхідних для досягнення цього етапу валідації.

Ключові контрольні точки симуляції у вашому процесі проектування

Не кожне рішення щодо проектування вимагає повного аналізу методом симуляції. Проте певні контрольні точки значно виграють від віртуального підтвердження:

• Перевірка розробки заготовки - Підтвердіть, що розрахований розмір заготовки забезпечує достатню кількість матеріалу без надмірних відходів
• Можливість першого видавлювання - Переконайтесь, що початкове зниження залишається в межах допустимих значень матеріалу
• Аналіз переходу багатостадійного процесу - Переконайтесь, що стан матеріалу між етапами видавлювання залишається придатним для формування
• Оцінка радіусу кутів - Перевірте концентрацію деформації на малих радіусах нециліндричних деталей
• Конструкція з компенсацією пружного повернення - Розрахунок необхідного надмірного згинання для досягнення цільових розмірів
• Оптимізація зусилля прижиму заготовки - Визначення профілів тиску, які максимізують технологічний вікно процесу
• Розташування тягових борозен - Перевірка конфігурацій утримання для складних геометрій

У матеріалах щодо імітаційного моделювання штампування зазначається, що віртуальні діаграми кругової сітки можна порівнювати з фактичними експериментами з круговою сіткою для визначення точності моделювання. Це співвідношення між віртуальними та фізичними результатами підвищує впевненість у проектних рішеннях, керованих моделюванням.

Використання професійних інтегрованих послуг з моделювання

Хоча програмне забезпечення для моделювання стало більш доступним, для отримання максимальної вигоди потрібна експертна знання можливостей програмного забезпечення та основних принципів процесу глибокого витягування. Компанії, що займаються глибоким витягуванням, все частіше відрізняються своєю компетентністю в моделюванні.

На що варто звернути увагу при виборі виробників глибокого штампування металу, які пропонують послуги з інтегрованим моделюванням? Показник затвердження з першої спроби надає конкретну метрику. Коли партнер із проектування матриць досягає рівня затвердження 93% з першої спроби, ви бачите реальний результат проектування, підтвердженого моделюванням. Цей відсоток безпосередньо означає скорочення термінів розробки, нижчі витрати на модифікацію інструментів та швидший вихід на повномасштабне виробництво.

Не менше важливі сертифікати якості. Сертифікація IATF 16949 гарантує, що перевірка за допомогою моделювання інтегрована в загальну систему управління якістю з документованими процедурами та стабільним виконанням. Саме моделювання має цінність лише тоді, коли воно виконане правильно та з реалістичними параметрами.

Для автомобільних застосунків і інших складних проектів глибокого штампування професійні послуги з проектування матриць, які використовують моделювання до розрізання сталі, є стратегічною перевагою. Рішення Shaoyi для автомобільних штампувальних матриць демонструють цей підхід, поєднуючи передові можливості комп'ютерного моделювання CAE з швидким прототипуванням всього за п'ять днів. Їхня інженерна команда створює оснащення, підтверджене моделюванням, адаптоване до стандартів OEM, що зменшує витратні ітерації, властиві традиційному підходу проб і помилок.

Дослідження IJERT робить висновок, що моделювання дає важливі знання щодо необхідних змін у матриці та компоненті для досягнення спрощеної та ефективної конструкції матриці. Зазвичай, для штампа потрібні удосконалені параметри проектування, щоб забезпечити безперебійне проходження випробувального етапу. Моделювання надає ці вдосконалені параметри ще до інвестування в фізичне оснащення.

Інтегрувавши можливості моделювання в процес проектування штампів, ви усунули найважливіше джерело затримок і витрат на розробку. Останнім елементом головоломки є вибір відповідних матеріалів для штампів і поверхневих покриттів, які гарантують, що ваша перевірена конструкція забезпечуватиме стабільну продуктивність у масовому виробництві.

Керівництво щодо вибору матеріалу та обробки поверхні

Ви перевірили конструкцію матриці за допомогою моделювання та оптимізували всі параметри формування. Тепер настає рішення, яке визначатиме, чи ваш інструмент забезпечить стабільні результати для тисяч деталей або вийде з ладу передчасно: вибір матеріалу матриці. Матеріали пуансона, матриці та прижимача безпосередньо впливають на зносостійкість, якість поверхневої обробки та, зрештою, на вартість кожної деталі протягом серійного виробництва.

Згідно з Довідником ASM з обробки металів , вибір матеріалу для штампу витяжки має на меті виготовлення деталей потрібної якості та кількості з мінімальними витратами на інструмент у розрахунку на одну деталь. Цей принцип керує кожним вашим рішенням щодо вибору матеріалу. Найбільш стійкий до зносу варіант не завжди є оптимальним. Ви повинні збалансувати початкову вартість, потребу в обслуговуванні та очікуваний обсяг виробництва.

Вибір інструментальної сталі для компонентів глибокого штампу

Операції штампування глибокого витягування піддають інструменти надзвичайно жорстким умовам. Тримачі заготовок зазнають абразивного контакту при кожному ході. Пуншони витримують стискальні навантаження, зберігаючи точну геометрію. Матриці повинні направляти потік матеріалу, одночасно протидіючи заїданню, що виникає, коли подібні метали контактують під тиском.

Які чинники мають визначати вибір інструментальної сталі? Врахуйте такі змінні:

• Обсяг виробництва - Прототипні партії невеликого обсягу потребують інших матеріалів, ніж автомобільні програми мільйонного рівня
• Матеріал заготовки - Глибоке витягування нержавіючої сталі призводить до більшого зносу інструментів, ніж при роботі з конструкційною сталью або алюмінієм
• Складність деталі - Складні геометрії концентрують напруження в окремих місцях, що вимагає підвищеної зносостійкості
• Вимоги до поверхневої обробки - Декоративні деталі вимагають інструментів, які зберігають поліровану поверхню протягом всього виробничого циклу
• Можливості обслуговування - Деякі матеріали потребують спеціального термообробного або шліфувального обладнання для відновлення

Довідник ASM щодо прес-форм для формування розглядає змінні у виробництві, які впливають на вибір між феромагнітними, немагнітними та навіть пластмасовими матеріалами для прес-форм. Для глибокого штампування металу переважають інструмальні сталі, але конкретний сорт має величезне значення.

Матеріалі штампу	Застосування	Діапазон твердості (HRC)	Зносостійкість	Найкращі випадки використання
Штампова сталь D2	Прес-форми, пуансони, тримачі заготовок	58-62	Чудово	Високотоннажне виробництво; абразивні матеріали; глибоке штампування сталевих аркушів
Інструментальна сталь A2	Пуансони, прес-форми із помірним зносом	57-62	Добре	Середньотоннажне виробництво; достатня міцність для ударних навантажень
Високоміцна сталь M2	Пуансони, що вимагають гарячої твердості	60-65	Дуже добре	Операції з високою швидкістю; застосування при підвищених температурах
Карбід (Вольфрамовий карбід)	Вставки з високого зносу, кільця для виправлення	75-80 (еквівалент HRA)	Винятковий	Мільйонні партії; глибока витяжка з нержавіючої сталі; прецизійні розміри
Інструментальна сталь O1	Прототипні матриці, штампи для малих обсягів	57-62	Середня	Короткі партії; простота обробки; гнучкі металеві листи для творчих застосувань

Зверніть увагу, як обсяг виробництва впливає на кожен вибір. Для прототипного оснащення або коротких партій, що передбачають використання гнучких металевих листів у творчості чи інших застосуваннях з малим обсягом, може бути достатньо сталі О1 або навіть конструкційної сталі з поверхневим загартуванням. Для обсягів автомобільного виробництва економічно вигідним стає використання D2 або карбідних вставок, незважаючи на вищі початкові витрати.

Врахування підбору матеріалів для штампа та матриці

Вибір окремих компонентів — це недостатньо. Взаємодія матеріалів пуансона та матриці впливає на стійкість до заїдання, знос і загальний термін служби інструменту. Згідно з довідником ASM, заїдання є типовою причиною зносу при штампуванні глибокого витягування. Коли подібні матеріали контактують під тиском і умовами ковзання в конструкції штампування металу, виникає мікрозварювання та розриви.

Розгляньте такі принципи підбору:

• Уникайте однакової твердості - Якщо пуансон і матриця мають однакову твердість, обидва швидко зношуються. Рекомендовано різницю 2–4 HRC між компонентами.
• Більш твердий компонент контактує з критичною поверхнею заготовки - Якщо найважливішим є зовнішній вигляд деталі, матриця має бути твердішою. Якщо критичною є внутрішня поверхня, потрібно загартувати пуансон.
• Використовуйте різні матеріали - Тримачі заготовки з бронзи або алюмінієвої бронзи в парі з матрицями з інструментальної сталі зменшують схильність до заїдання при витягуванні алюмінієвих сплавів.
• Узгоджуйте коефіцієнти розширення - Для точного глибокого витягування металевої штампування, подібне теплове розширення між пуансоном і матрицею забезпечує зазори під час серійного виробництва.
• Враховуйте сумісність покриття - Деякі види обробки поверхні краще працюють на певних основах з інструментальної сталі.

Обробка поверхні та покриття для подовження терміну служби матриць

Навіть найкраща інструментальна сталь виграє від підвищення якості поверхні. Згідно з Довідник ASM , доступні варіанти поверхневих покриттів, таких як хромове покриття, та обробка поверхні, наприклад карбурізація або карбонітридація для низьколегованих сталей, або нітрування та покриття методом фізичного осадження з пароподібного стану для інструментальних сталей. Кожна обробка спрямована на запобігання певним механізмам зносу.

Нітридування дифундує азот у поверхню сталі, створюючи твердий шар без зміни розмірів. Як пояснює AZoM, нітрування підвищує зносостійкість і твердість робочої поверхні інструменту. Це особливо ідеально для застосувань, пов’язаних з абразивними матеріалами. Для штампів глибокого витягування нітрування значно подовжує термін експлуатації при формуванні покритих сталей або високоміцних сплавів.

Хромове покриття наносить твердий, малотермічний поверхневий шар. Згідно з AZoM, гальванічне хромування значно підвищує твердість поверхні, досягаючи значень до 68 HRC. Це особливо корисно при обробці конструкційних сталей, міді, вуглецевих сталей та латуні. Гладка хромувана поверхня також полегшує випускання деталей і зменшує потребу у мастилах.

Нітрид титану (TiN) покриття наноситься методом фізичного осадження з парової фази, утворюючи золотисто-кольоровий керамічний шар. За даними AZoM, висока твердість у поєднанні з низьким тертям забезпечує значно довший термін служби. TiN драматично зменшує схильність до задирок, що робить його цінним для глибокого витягування нержавіючої сталі, де адгезійний знос створює проблеми для не покритого інструменту.

Титанове карбонітридне покриття (TiCN) пропонує твердіший та менш термічний варіант порівняно з TiN. Згідно з AZoM, він має добру зносостійкість, поєднуючи міцність і твердість. Для металевих виробів, що вимагають глибокого витягування і які потребують як стійкості до абразивного зносу, так і ударної в’язкості, TiCN забезпечує чудовий баланс.

Титановий алюмінієвий нітрид (TiAlN) відмінно працює в складних умовах. AZoM описує його як матеріал з високою стійкістю до окиснення та високою міцністю, придатний для вищих швидкостей, що продовжує термін служби інструменту. Для високоволюметричного виробництва глибоких витяжок із металу, де значною є генерація тепла, TiAlN зберігає робочі характеристики там, де інші покриття починають руйнуватися.

Коли карбідні плашки виправдовують їх вищу вартість

Карбідне інструмісництво коштує значно більше, ніж інструмісництво зі залізом. Коли ця інвестиція видається виправданою? Кілька сценаріїв роблять карбід економічно кращим вибором:

• Обсяги виробництва понад 500 000 штук - Тривалий термін служби карбіду розподіляє початкову вартість на достатню кількість деталей, що зменшує витрати на інструмісництво на одну деталь
• Строгими розмірними допусками - Зносостійкість карбіду зберігає критичні розміри набагато довше, ніж сталь, зменшуючи частоту налаштувань
• Абразивні матеріали заготовки - Високоміцні низьколеговані сталі та нержавіючі марки значно прискорюють знос інструмісництва зі сталі
• Операції виправлення - Сильний ковзний контакт під час виправлення стінки швидко руйнує стальне інструмісництво
• Чутливість до простою - Коли перерви у виробництві коштують дорожче, ніж інструмент, надійність карбіду виправдовує преміальне ціноутворення

Карбіди на сталевій основі пропонують компромісний варіант. Згідно з довідником ASM, карбіди на сталевій основі забезпечують стійкість до зносу, близьку до суцільного карбіду, але з кращою міцністю та оброблюваністю. Для складних геометрій матриць, які були б надто дорогими у виготовленні з суцільного карбіду, альтернативи на сталевій основі забезпечують відмінні експлуатаційні характеристики.

Обсяг виробництва та економіка вибору матеріалу

Очікувана кількість продукції принципово впливає на вибір матеріалу. Розгляньте таку послідовність:

Прототипування та малі серії (менше 1000 штук): М’які інструментальні матеріали, такі як низьковуглецева сталь або алюміній, підходять для початкових випробувань. Навіть неупрочнена інструментальна сталь O1 може бути достатньою. Мета — перевірити конструкцію деталі, а не максимізувати термін служби інструменту.

Середні серії (1000–100 000 штук): Закалені інструментальні сталі A2 або D2 стають стандартом. Обробка поверхні, наприклад нітруванням або хромуванням, подовжує термін служби без надмірних початкових витрат.

Великі обсяги (100 000–1 000 000 штук): Преміальна сталь D2 з PVD-покриттями або карбідними вставками в місцях інтенсивного зносу. Вартість модифікації інструментів під час виробничого процесу виправдовує більші початкові витрати на матеріали.

Масове виробництво (понад 1 000 000 штук): Карбідні вставки, кілька резервних комплектів матриць та комплексні програми обробки поверхні. Інструмент перетворюється на капіталовкладення, що потребує аналізу витрат протягом усього життєвого циклу.

Партнерство для комплексних рішень щодо матеріалів матриць

Вибір матеріалу матриці не існує ізольовано. Він інтегрований з усіма іншими проектними рішеннями: специфікаціями радіусів, зусиллям прижиму заготовки, вимогами до обробленої поверхні та графіком виробництва. Досвідчені партнери з проектування матриць розглядають вибір матеріалу як частину комплексних інструментальних рішень, збалансовуючи початкову вартість та ефективність у виробництві.

Що відрізняє кваліфікованих партнерів? Звертайте увагу на інженерні команди, які враховують вибір матеріалів на етапі розробки конструкції, а не як додатковий момент. Можливість швидкого прототипування всього за п'ять днів свідчить про гнучкість виробництва та практичну оцінку варіантів матеріалів. Вигідні інструменти, адаптовані до стандартів OEM, відображають досвід у відповідності інвестицій у матеріали до реальних виробничих потреб.

Комплексні можливості Shaoyi щодо проектування та виготовлення форм є прикладом такого комплексного підходу. Їхнє посвідчення IATF 16949 гарантує, що рішення щодо вибору матеріалів приймаються згідно з документованими процедурами якості. Незалежно від того, чи ваше застосування вимагає карбідних вставок для виробництва мільйонів деталей із нержавіючої сталі, чи економічної загартованої сталі для перевірки прототипу, комплексні послуги з проектування матриць забезпечують відповідні рішення з матеріалами, адаптованими до ваших конкретних вимог.

Вибір матеріалу завершує ваш набір рекомендацій з проектування матриць для глибокого витягування. Від розрахунків коефіцієнта витягування до моделювання та тепер — специфікації матеріалу, у вас є технічна основа для створення оснащення, яке стабільно виробляє бездоганні деталі при будь-яких обсягах виробництва.

Поширені запитання щодо проектування матриць глибокого витягування

1. Який має бути зазор у матриці для операцій глибокого витягування?

Зазор у матриці має бути на 10–20% більшим за товщину матеріалу, щоб запобігти концентрації металу на верхній частині матриці й зберегти контроль над стінками. Для матеріалу товщиною 0,040" слід встановити зазор 0,044"–0,048". Вужчі зазори спеціально використовуються для вирівнювання бічних стінок задля однакової товщини, тоді як надмірний зазор призводить до зморшкуватості стінок. Професійні конструктори матриць, такі як Shaoyi, використовують CAE-моделювання для оптимізації зазору під конкретні матеріали та геометрії, досягаючи 93% успішних затверджень з першої спроби.

2. Як розрахувати розмір заготовки для глибокого витягування?

Обчислити розмір заготовки за принципом сталого об'єму: площа поверхні заготовки дорівнює площі поверхні готової деталі. Для циліндричних стаканів використовуйте формулу Rb = √[Rf × (Rf + 2Hf)], де Rb — радіус заготовки, Rf — радіус стакана, Hf — висота стакана. Додайте 2× товщину матеріалу на обробку та 3-5% на компенсацію зменшення товщини. Для складних геометрій необхідно використовувати розрахунки площі поверхні на основі САПР для забезпечення точності.

3. Що спричиняє зморшкування та розриви у глибоковитягнутих деталях?

Зморшкування виникає через недостатній тиск прихоплювача заготовки, що призводить до стисного вигинання в зоні фланця. Розрив виникає, коли надмірний тиск прихоплювача або недостатній радіус інструльного оснащення перешкоджають руху матеріалу, викликаючи перевищення межі міцності матеріалу під напруженням поблизу носка пуансона. Рішення включають поступове регулювання зусилля прихоплювача заготовки, збільшення радіусів пуансона/матриці до 4-10× товщини матеріалу та поліпшення змащування. Конструкції, підтверджені моделюванням, запобігають цим дефектам до виготовлення інструльного оснащення.

4. Скільки стадій витягування потрібно для глибокого витягування?

Вимоги до стадій залежать від загального відсотка зменшення. На першому етапі досягається зменшення на 45-50%, на наступних — 25-30% та 15-20% відповідно. Кількість стадій розраховують, визначивши необхідне загальне зменшення (від діаметра заготовки до кінцевого діаметра), а потім поділивши його на граничні значення для кожного етапу, що залежать від матеріалу. Деталі, у яких співвідношення глибини до діаметра перевищує 1,0, як правило, потребують кількох стадій. Передбачте проміжне відпалювання, коли сумарне зменшення перевищує 30–45%, залежно від матеріалу.

5. Які рекомендовані специфікації радіусів пуансона та матриці?

Радіус носка пуансона повинен бути 4–10× товщини матеріалу для розподілу напруження та запобігання розриву. Радіус входу в матрицю має становити 5–10× товщини для плавного переходу матеріалу. Для тонших матеріалів потрібні більші коефіцієнти радіуса. Для матеріалу товщиною 0,030"–0,060" вказуйте радіус пуансона 5–8× і радіус матриці 6–10× товщини. Для некруглих деталей мінімальний внутрішній радіус кута повинен становити щонайменше 2× товщини, бажано 3–4×, щоб зменшити кількість операцій витягування.